Java康威生命游戏（Conway‘s Game of Life）
这段 Java 代码实现了一个三维版本的康威生命游戏（Conway's Game of Life）的图形用户界面（GUI）程序。康威生命游戏是一个零玩家游戏，它包括一个二维或多维的网格，每个网格中的细胞有存活或死亡两种状态，根据其周围细胞的存活情况按照一定规则进行迭代更新。此程序模拟了一个三维的细胞世界，并且通过 JFrame 和 JPanel 提供了可视化的界面，以一定的时间间隔展示细胞状态的演化。
类和成员变量说明
类定义
java
public class ThreeDimensionalConwayGameOfLifeGUI extends JFrame {
ThreeDimensionalConwayGameOfLifeGUI类继承自JFrame，这意味着它是一个窗口，用于承载游戏的可视化界面。
静态常量
java
private static final int SIZE_X = 20;
private static final int SIZE_Y = 20;
private static final int SIZE_Z = 20;
private static final int CELL_SIZE = 10;
private static final int DELAY = 500;
SIZE_X、SIZE_Y和SIZE_Z：分别表示三维网格在 x、y、z 三个方向上的大小，即细胞世界的尺寸。CELL_SIZE：每个细胞在界面上显示的大小（像素）。DELAY：定时器的延迟时间（毫秒），控制细胞状态更新的时间间隔。
成员变量
java
private boolean[][][] currentGeneration;
private boolean[][][] nextGeneration;
private GamePanel gamePanel;
private Timer timer;
currentGeneration：一个三维布尔数组，用于存储当前代细胞的存活状态。nextGeneration：同样是三维布尔数组，用于存储下一代细胞的存活状态。gamePanel：GamePanel类的实例，用于绘制细胞的可视化界面。timer：Timer类的实例，用于定时触发细胞状态的更新和界面的重绘。
方法说明
构造函数 ThreeDimensionalConwayGameOfLifeGUI()
java
public ThreeDimensionalConwayGameOfLifeGUI() {
currentGeneration = new boolean[SIZE_X][SIZE_Y][SIZE_Z];
nextGeneration = new boolean[SIZE_X][SIZE_Y][SIZE_Z];
initializeRandomly();
gamePanel = new GamePanel();
add(gamePanel);
timer = new Timer(DELAY, new ActionListener() {
@Override
public void actionPerformed(ActionEvent e) {
evolve();
gamePanel.repaint();
}
});
timer.start();
setTitle("三维康威生命游戏");
setSize(SIZE_X * CELL_SIZE, SIZE_Y * CELL_SIZE);
setDefaultCloseOperation(JFrame.EXIT_ON_CLOSE);
setLocationRelativeTo(null);
setVisible(true);
}
- 初始化
currentGeneration和nextGeneration数组。 - 调用
initializeRandomly()方法随机初始化当前代细胞的存活状态。 - 创建
GamePanel实例并添加到窗口中。 - 创建一个
Timer对象，设置延迟时间为DELAY毫秒，每次触发时调用evolve()方法更新细胞状态并调用gamePanel.repaint()方法重绘界面。 - 设置窗口的标题、大小、关闭操作、位置并使其可见。
initializeRandomly() 方法
java
private void initializeRandomly() {
Random random = new Random();
for (int x = 0; x < SIZE_X; x++) {
for (int y = 0; y < SIZE_Y; y++) {
for (int z = 0; z < SIZE_Z; z++) {
currentGeneration[x][y][z] = random.nextBoolean();
}
}
}
}
- 使用
Random类随机为currentGeneration数组中的每个元素赋值（true或false），以此随机初始化细胞的存活状态。
countNeighbors(int x, int y, int z) 方法
java
private int countNeighbors(int x, int y, int z) {
int count = 0;
for (int dx = -1; dx <= 1; dx++) {
for (int dy = -1; dy <= 1; dy++) {
for (int dz = -1; dz <= 1; dz++) {
if (dx == 0 && dy == 0 && dz == 0) {
continue;
}
int newX = x + dx;
int newY = y + dy;
int newZ = z + dz;
if (isValidCoordinate(newX, newY, newZ) && currentGeneration[newX][newY][newZ]) {
count++;
}
}
}
}
return count;
}
- 计算指定坐标
(x, y, z)处细胞的存活邻居数量。 - 通过三层嵌套循环遍历该细胞周围的 26 个邻居（除去自身），调用
isValidCoordinate()方法检查邻居坐标是否有效，若有效且邻居细胞存活则计数器加 1。
isValidCoordinate(int x, int y, int z) 方法
java
private boolean isValidCoordinate(int x, int y, int z) {
return x >= 0 && x < SIZE_X && y >= 0 && y < SIZE_Y && z >= 0 && z < SIZE_Z;
}
- 检查给定的坐标
(x, y, z)是否在三维网格的有效范围内。 - 如果坐标在范围内返回
true，否则返回false。
evolve() 方法
java
public void evolve() {
for (int x = 0; x < SIZE_X; x++) {
for (int y = 0; y < SIZE_Y; y++) {
for (int z = 0; z < SIZE_Z; z++) {
int neighbors = countNeighbors(x, y, z);
if (currentGeneration[x][y][z]) {
// 存活细胞规则
nextGeneration[x][y][z] = neighbors == 3 || neighbors == 4 || neighbors == 5;
} else {
// 死亡细胞规则
nextGeneration[x][y][z] = neighbors == 4;
}
}
}
}
// 更新当前代
for (int x = 0; x < SIZE_X; x++) {
for (int y = 0; y < SIZE_Y; y++) {
for (int z = 0; z < SIZE_Z; z++) {
currentGeneration[x][y][z] = nextGeneration[x][y][z];
}
}
}
}
- 进行细胞状态的更新，模拟一代的演化。
- 首先遍历整个三维网格，对于每个细胞，调用
countNeighbors()方法计算其存活邻居数量。 - 根据存活邻居数量和当前细胞状态，按照规则更新
nextGeneration数组：- 若当前细胞存活，当邻居数量为 3、4 或 5 时，下一代细胞存活，否则死亡。
- 若当前细胞死亡，当邻居数量为 4 时，下一代细胞存活，否则死亡。
- 最后将
nextGeneration数组的值复制到currentGeneration数组中，完成当前代的更新。
GamePanel 内部类
java
private class GamePanel extends JPanel {
@Override
protected void paintComponent(Graphics g) {
super.paintComponent(g);
for (int x = 0; x < SIZE_X; x++) {
for (int y = 0; y < SIZE_Y; y++) {
for (int z = 0; z < SIZE_Z; z++) {
if (currentGeneration[x][y][z]) {
g.setColor(Color.BLACK);
} else {
g.setColor(Color.WHITE);
}
g.fillRect(x * CELL_SIZE, y * CELL_SIZE, CELL_SIZE, CELL_SIZE);
}
}
}
}
}
GamePanel类继承自JPanel，用于绘制细胞的可视化界面。- 重写
paintComponent()方法，遍历currentGeneration数组，根据细胞的存活状态设置绘制颜色（存活为黑色，死亡为白色），并在界面上绘制相应的矩形。
main() 方法
java
public static void main(String[] args) {
SwingUtilities.invokeLater(new Runnable() {
@Override
public void run() {
new ThreeDimensionalConwayGameOfLifeGUI();
}
});
}
- 使用
SwingUtilities.invokeLater()方法确保在事件调度线程中创建和显示 GUI，避免线程安全问题。 - 创建
ThreeDimensionalConwayGameOfLifeGUI类的实例，启动游戏。
完整代码
import javax.swing.*;
import java.awt.*;
import java.awt.event.ActionEvent;
import java.awt.event.ActionListener;
import java.util.Random;
public class ThreeDimensionalConwayGameOfLifeGUI extends JFrame {
private static final int SIZE_X = 20;
private static final int SIZE_Y = 20;
private static final int SIZE_Z = 20;
private static final int CELL_SIZE = 10;
private static final int DELAY = 500;
private boolean[][][] currentGeneration;
private boolean[][][] nextGeneration;
private GamePanel gamePanel;
private Timer timer;
public ThreeDimensionalConwayGameOfLifeGUI() {
currentGeneration = new boolean[SIZE_X][SIZE_Y][SIZE_Z];
nextGeneration = new boolean[SIZE_X][SIZE_Y][SIZE_Z];
initializeRandomly();
gamePanel = new GamePanel();
add(gamePanel);
timer = new Timer(DELAY, new ActionListener() {
@Override
public void actionPerformed(ActionEvent e) {
evolve();
gamePanel.repaint();
}
});
timer.start();
setTitle("三维康威生命游戏");
setSize(SIZE_X * CELL_SIZE, SIZE_Y * CELL_SIZE);
setDefaultCloseOperation(JFrame.EXIT_ON_CLOSE);
setLocationRelativeTo(null);
setVisible(true);
}
private void initializeRandomly() {
Random random = new Random();
for (int x = 0; x < SIZE_X; x++) {
for (int y = 0; y < SIZE_Y; y++) {
for (int z = 0; z < SIZE_Z; z++) {
currentGeneration[x][y][z] = random.nextBoolean();
}
}
}
}
private int countNeighbors(int x, int y, int z) {
int count = 0;
for (int dx = -1; dx <= 1; dx++) {
for (int dy = -1; dy <= 1; dy++) {
for (int dz = -1; dz <= 1; dz++) {
if (dx == 0 && dy == 0 && dz == 0) {
continue;
}
int newX = x + dx;
int newY = y + dy;
int newZ = z + dz;
if (isValidCoordinate(newX, newY, newZ) && currentGeneration[newX][newY][newZ]) {
count++;
}
}
}
}
return count;
}
private boolean isValidCoordinate(int x, int y, int z) {
return x >= 0 && x < SIZE_X && y >= 0 && y < SIZE_Y && z >= 0 && z < SIZE_Z;
}
public void evolve() {
for (int x = 0; x < SIZE_X; x++) {
for (int y = 0; y < SIZE_Y; y++) {
for (int z = 0; z < SIZE_Z; z++) {
int neighbors = countNeighbors(x, y, z);
if (currentGeneration[x][y][z]) {
// 存活细胞规则
nextGeneration[x][y][z] = neighbors == 3 || neighbors == 4 || neighbors == 5;
} else {
// 死亡细胞规则
nextGeneration[x][y][z] = neighbors == 4;
}
}
}
}
// 更新当前代
for (int x = 0; x < SIZE_X; x++) {
for (int y = 0; y < SIZE_Y; y++) {
for (int z = 0; z < SIZE_Z; z++) {
currentGeneration[x][y][z] = nextGeneration[x][y][z];
}
}
}
}
private class GamePanel extends JPanel {
@Override
protected void paintComponent(Graphics g) {
super.paintComponent(g);
for (int x = 0; x < SIZE_X; x++) {
for (int y = 0; y < SIZE_Y; y++) {
for (int z = 0; z < SIZE_Z; z++) {
if (currentGeneration[x][y][z]) {
g.setColor(Color.BLACK);
} else {
g.setColor(Color.WHITE);
}
g.fillRect(x * CELL_SIZE, y * CELL_SIZE, CELL_SIZE, CELL_SIZE);
}
}
}
}
}
public static void main(String[] args) {
SwingUtilities.invokeLater(new Runnable() {
@Override
public void run() {
new ThreeDimensionalConwayGameOfLifeGUI();
}
});
}
}